Intelin Ponte Vecchio ja AMD:n Zen 3 näyttävät lupauksen edistyneestä puolijohdepakkausteknologiasta

Intel ja AMD keskustelivat joistakin edistyneimmistä sirusuunnitelmistaan ​​International Solid State Circuits Conference -konferenssissa tällä viikolla, ja he korostivat edistyneen pakkauksen roolia tulevissa huippuluokan sirutuotteissaan. Molemmissa tapauksissa vaikuttavat uudet suorituskykyominaisuudet tulevat modulaarisista lähestymistavoista, joissa yhdistetään eri tehtailla eri valmistusprosesseja käyttäen valmistettuja rakennuspalikoita. Se havainnollistaa sirupakkausten valtavaa potentiaalia tulevaisuuden puolijohdeinnovaatioissa.

Intelin Ponte Vecchion kohdemarkkinat ovat korkean suorituskyvyn moduulit, jotka rakennetaan suuriin tietokeskusjärjestelmiin. Se on grafiikan käsittelyyksikkö (GPU), ja se on suunniteltu tekoälyn, koneoppimisen ja tietokonegrafiikan sovelluksiin. Se on nimetty keskiaikaisen kivisillan mukaan, joka yhdistää Piazza della Signorian Firenzessä, Italiassa, Arno-joen toisella puolella ja Pallazzo Pittiä toisella puolella. Yksi suunnittelun kohokohdista on se, kuinka se yhdistää monia erikoistuneita siruja – integroitujen piirien rakennuspalikoita, jotka on tarkoitus yhdistää kokonaisiksi järjestelmiksi.

Ponte Vecchio käyttää kahdeksaa "laattaa", jotka on valmistettu Taiwan Semiconductor Manufacturing Companyn (TSMC) edistyneimmällä 5 nm:n prosessilla. Jokaisessa laatassa on kahdeksan "X^e”-ytimiä, ja jokaisessa kahdeksassa ytimessä on puolestaan ​​kahdeksan vektori- ja kahdeksan erikoismatriisimoottoria. Laatat asetetaan "peruslaatan" päälle, mikä yhdistää ne muistiin ja ulkomaailmaan jättimäisellä kytkinkankaalla. Tämä pohjalaatta on rakennettu käyttämällä yhtiön "Intel 7" -prosessia, joka on uusi nimi yhtiön parannetulle 10 nm SuperFin -valmistusprosessille. On myös korkean suorituskyvyn muistijärjestelmä nimeltä "RAMBO", joka tulee sanoista Random Access Memory, Bandwidth Optimized, joka rakennettiin Intel 7 Foveros -yhdyskytkentäteknologiaa käyttävälle pohjalevylle. Mukana on myös paljon muita rakennuspalikoita.

Ponte Vecchio -malli on tapaustutkimus heterogeenisestä integraatiosta – 63 erilaista ruutua (47 suorittavat laskentatoimintoja ja 16 lämmönhallintaa) ja yhteensä yli 100 miljardia transistoria yhdessä paketissa, joka on 77.5 x 62.5 mm (noin 3 x 2.5 tuumaa). Ei siitä kauan sitten, kun noin paljon laskentatehoa täytti varaston ja vaati oman yhteyden sähköverkkoon. Tällaisen suunnittelun tekniset haasteet ovat runsaat:

Kaikkien osien yhdistäminen. Suunnittelijat tarvitsevat tavan siirtää signaaleja kaikkien erilaisten sirujen välillä. Ennen vanhaan tämä tehtiin langoilla tai piirilevyillä, ja sirut kiinnitettiin juottamalla ne levyihin. Mutta se loppui jo kauan sitten, kun signaalien määrä ja nopeus kasvoivat. Jos laitat kaiken yhdelle sirulle, voit yhdistää ne metallijäljillä valmistusprosessin takapäässä. Jos haluat käyttää useita siruja, se tarkoittaa, että tarvitset paljon liitäntänastoja ja haluat, että liitäntäetäisyydet ovat lyhyitä. Intel tukee tätä kahta teknologiaa. Ensimmäinen on sen "sulautettu multi-die interconnect bridge" (EMIB), joka on valmistettu pienestä piisirpaleesta, joka voi tarjota satoja tai tuhansia yhteyksiä kerrallaan, ja toinen on sen Foveros die-to-die pinoamistekniikka ensin. käytetään sen Lakefield-mobiiliprosessorissa.

Varmista, että kaikki osat ovat synkronoituja. Kun yhdistät useita eri osia, sinun on varmistettava, että kaikki osat voivat puhua keskenään synkronisesti. Tämä tarkoittaa yleensä kellona tunnetun ajoitussignaalin jakamista, jotta kaikki sirut voivat toimia lockstep. Tämä ei ole vähäpätöistä, sillä signaalit taipuvat vääristymään ja ympäristö on erittäin meluisa, ja signaaleja pomppii paljon. Esimerkiksi jokaisessa laskentaruudussa on yli 7,000 40 yhteyttä XNUMX neliömillimetrin tilassa, joten se on paljon synkronoitavaa.

Lämmön hallinta. Modulaariset laatat vaativat kukin paljon tehoa, ja sen jakaminen tasaisesti koko pinnalle samalla kun syntyvä lämpö poistetaan, on valtava haaste. Muistisiruja on pinottu jo jonkin aikaa, mutta syntyvä lämpö jakautuu melko tasaisesti. Prosessorisiruissa tai -levyissä voi olla kuumia kohtia sen mukaan, kuinka paljon niitä käytetään, ja lämmön hallinta 3D-sirupinossa ei ole helppoa. Intel käytti metallisointiprosessia sirujen takaosissa ja integroi ne lämmönlevittimiin käsitelläkseen Ponte Vecchio -järjestelmän ennustettua 600 wattia.

Intelin raportoimat alustavat laboratoriotulokset sisälsivät yli 45 teraflopsin suorituskykyä. Argonne National Laboratoriesissa rakennettava Aurora-supertietokone käyttää yli 54,000 18,000 Ponte Vecchiota sekä yli 2 1,000 seuraavan sukupolven Xeon-prosessoria. Auroralla on tavoiteltu yli 1990 Exaflopsin huippusuorituskyky, mikä on 100 kertaa enemmän kuin Teraflop-koneella. XNUMX-luvun puolivälissä, kun olin supertietokoneliiketoiminnassa, yksi Teraflop-kone oli XNUMX miljoonan dollarin tiedeprojekti.

AMD:n Zen 3

AMD puhui Zen 3:n toisen sukupolven mikroprosessoriytimestä, joka on rakennettu TSMC:n 7 nm:n prosessiin. Tämä mikroprosessoriydin on suunniteltu käytettäväksi kaikilla AMD:n markkinasegmenteillä pienitehoisista mobiililaitteista, pöytätietokoneista ja aina sen tehokkaimpiin tietokeskuspalvelimiin. Tämän strategian keskeinen periaate oli sen Zen 3 -ytimen pakkaaminen tukitoimintoineen "ydinkompleksiksi" yhdelle sirulle, joka toimi modulaarisina rakennuspalikoina aivan kuten Intelin laatat. Siten he voisivat pakata kahdeksan sirua yhteen korkean suorituskyvyn työpöydälle tai palvelimelle tai neljä sirua arvojärjestelmää varten, kuten halvan kotijärjestelmän, jonka voisin ostaa. AMD pinoaa sirut myös pystysuunnassa käyttämällä niin kutsuttuja TSV:itä (Trans-Silicon vias), joka on tapa yhdistää useita päällekkäisiä siruja. Se voisi myös yhdistää kahdesta kahdeksaan näistä siruista GlobalFoundriesin 12 nm:n prosessilla tehdyn palvelinsuulakkeen kanssa 3^rd sukupolven EPYC-palvelinsirut.

Ponte Vecchion ja Zen 3:n loistava mahdollisuus on kyky sekoittaa eri prosesseilla valmistettuja siruja. Intelin tapauksessa tämä sisälsi sekä omalla että TSMC:n edistyneimmillä prosesseilla valmistettuja osia. AMD voisi yhdistää osia TSMC:stä ja GlobalFoundriesista. Pienten sirujen tai laattojen yhdistämisen suuri etu yhden suuren sirun rakentamisen sijaan on, että pienemmillä on paremmat tuotantotuotot ja siksi ne ovat halvempia. Voit myös sekoittaa uusia siruja vanhempiin, hyväksi havaittuihin siruihin, joiden tiedät olevan hyviä tai jotka on valmistettu halvemmalla prosessilla.

Sekä AMD- että Intel-mallit ovat teknisiä tours de force. Epäilemättä ne edustavat paljon kovaa työtä ja oppimista sekä valtavia resurssien investointeja. Mutta aivan kuten IBM esitteli modulaariset alijärjestelmät keskustietokoneessaan System/360 1960-luvulla ja henkilökohtaiset tietokoneet muuttuivat modulaariseksi 1980-luvulla, piimikrojärjestelmien modulaarinen osiointi, josta esimerkkinä nämä kaksi mallia ja edistyneen sirupakkauksen mahdollistama, merkitsee merkittävää teknologian muutosta. Tosin monet täällä esitetyistä ominaisuuksista ovat edelleen useimpien aloittavien yritysten ulottumattomissa, mutta voimme kuvitella, että kun teknologiasta tulee helpommin saavutettavissa, se päästää valloilleen sekoitus-innovaatioaallon.